[实用新型]一种基于电致伸缩效应的光纤Bragg光栅磁场传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于电致伸缩效应的光纤Bragg光栅磁场传感器，属于光电子测量技术领域。

背景技术

在工业生产和科学研究的许多领域人都要涉及到磁场测量问题，如磁探矿、地质勘探、磁性材料研究、磁导航、同位数分离、受控热核反应及人造地球卫星等。随着高压直流输变电的发展，变电站、高压输电线等周围磁场的监测对于电网的安全运行有着重要的意义。为此，电绝缘、抗电磁干扰、全光通信的光纤Bragg光栅磁场传感器成为磁场检测领域一个重要研究方向。

与本实用新型最接近的磁场检测技术是声波耦合磁电效应及器件（参见专利，授权公告号：102842575 A），该发明专利是利用磁致伸缩效应和压电效应，通过声波耦合制得复合磁电器件。当受到外界弱磁场干扰时，磁致伸缩薄片产生周期性弹性形变并传输到周围介质形成声波，在声波作用下压电陶瓷片受到周期性的外力，产生对应的电压输出，通过对电压的检测，该结构只能实现对弱磁场的测量，磁场测量范围较窄，并且该结构只采用一片压电陶瓷，对于压电陶瓷形变量测量的灵敏性不高。

同时还需要考虑光纤Bragg光栅磁场传感器的构成，及如何安装来实现测量时对光纤的保护问题。

发明内容

本实用新型提供了一种基于电致伸缩效应的光纤Bragg光栅磁场传感器，以用于解决光纤Bragg光栅磁场传感器的结构、安装问题。

本实用新型的技术方案是：一种基于电致伸缩效应的光纤Bragg光栅磁场传感器，包括直流异步电机1、电机转轴2、换向器3、电刷4、矩形线圈5、桥式整流二极管6、滤波电容7、保护电阻8、光纤Bragg光栅9、压电陶瓷10、粘接点11、外接引出光纤12；其中直流异步电机1、电机转轴2、换向器3和矩形线圈5固定在一起，电刷4与换向器3相接触且电刷4的触点通过导线与桥式整流二极管6相连，桥式整流二极管6的引出端与滤波电容7、保护电阻8相连，光纤Bragg光栅9通过两个粘接点11粘接在压电陶瓷10上，并与外接引出光纤12相连。

所述光纤Bragg光栅9通过环氧胶粘贴在叠堆型压电陶瓷10的表面中心轴线上。

本实用新型的工作原理是：

直流异步电机1的电机转轴2带动矩形线圈5切割磁场，发生电磁感应现象，通过换向器3和电刷4，根据直流异步电机1内部电磁感应原理，将磁场能转换成电能，产生的电压通过导线，经过桥式整流二极管6的整流，滤波电容7的滤波，通过保护电阻8将导线输出的电压端接在压电陶瓷10的Z轴方向上，根据压电陶瓷10的逆压电效应，当压电陶瓷10的Z轴方向加上电压时，使得粘接在压电陶瓷10X轴方向上的光纤Bragg光栅9的中心波长发生移位，通过对光纤Bragg光栅9波长移位的测量可以对滤波后的电压进行实时监测，根据直流发电机内部电磁感应原理和桥式整流电路的数学模型，通过电压与磁场关系的换算，可以对磁场进行实时监测。

本实用新型的数学模型分析如下：

光纤Bragg光栅均匀轴向应变引起的波长移位为：

                                                                  （1）

式中，为光纤Bragg光栅的中心波长，为波长移位量，P_e为有效弹光系数，为轴向应变量。

而轴向应变量可表示为如下：

                                                           （2）

式中，l为光纤Bragg光栅所在光纤的长度（即表示在压电陶瓷上两个粘接点之间的长度），Δl为光纤的轴向拉伸。

根据直流发电机内部电磁感应原理，矩形线圈以恒定转速切割同一方向的磁场，可以得到同一方向的磁场B与感应电压U的关系：

U=NBSW                                                         （3）

式中，N为矩形线圈的匝数，S为矩形线圈的横截面积，W为矩形线圈旋转的角速度。

则在不同的周期内，可以得到磁场的变化量ΔB与感应电压ΔU的关系：